Werden Solarzellen, deren Energie man nciht abnimmt eigentlich heißer oder reflektiv?

Im Thema "Leistung-Messen" hat sich mir eine Interessante Frage ergeben und auch unter meinen Kollegen eine wilde Diskussion ausgelöst :D

Wenn 3 ideal identische Solarzellen ideal identisch beleuchtet werden und ich folgenden Aufbau mache, was wären eurer Meinung nach die Ergebnisse (bzw. hat jemand besser Ideen zum prüfen)

3 Zellen, idealerweise identisch im Aufbau und Verhalten und identisch beleuchtet (idealisiert betrachtet)

Zelle 1 ist offen, also keinerlei Verbraucher
Zelle 2 ist mit einem Verbraucher dessen R gleichgroß dem ESR der Zelle ist
Zelle 3 ist kurzgeschlossen

Wir messen bei allen Zellen mit identischen Fotozellen/REsistoren/(was auch immer, hauptsache Lichtquantifizierend) das von der Lichtquelle über die Zelle reflektierte Licht und messen die Temperatur der Zelle (idealisiert hier natürlich alle Zelle unter identischen Bedingungen gemessen)

Meine Theorie ist dass,
Zelle 1 viel Licht reflektiert und verhältnismäßig kalt bleibt
Zelle 2 sehr wenig reflektiert aber dennoch relativ kalt bleibt
Zelle 3 maximal warm und maximal dunkel wird (Weil die gesamte Leistung in der Zelle umgewandelt wird und die maximale Absorpion erreicht wird)

Aber zuverlässig nachlesen kann man das nicht, wie verhält sich denn eine Solarzelle wenn man die Energie nicht abnimmt?! wird sie wirklich "dunker" ? Oder absorbiert sie immer gleich viel und wird einfach nur wärmer? aber wodurch? Eine Solarzelle kann doch nur bis zu einer Sättigung Elektronen durch das Gitter drängen!?

Oder baut sich so lange eine Spannung auf, bis das Material "durchbricht", also parttiell leitend wird, und dann wieder in Wärme umsetzt?!

Nach der Theorie dass eine "Überladung" der Zelle mangels abnehmer anfängt Leitend zu werden, wäre in dem Falle Zelle 2 am kältestens und alle 3 Zellen hätten die gleiche Reflektivität, Zelle 1 und 3 müssten sich in gleichem Maße erwärmen, da die Offene Zelle sich selbst sozusagen kurzschließt.

Eigentlich ganz einfach:
Solarzellen sind Stromquellen. Schau dir mal das Ersatzschaltbild an:

Anhang 34401

Ideal gleichmäßig beleuchtet:

Wenn du beliebig viele Solarzellen in Reihe hast und die Klemmen offen läßt passiert gar nichts, außer daß die Zellen warm werden. Nach dem Energieerhaltungssatz so warm wie eine Fläche mit identischem Lichtabsorbtionsverhalten.

Wenn du beliebig viele Solarzellen in Reihe hast und die Klemmen kurzschließt fließt halt ein Strom, der nur etwas größer als der Nennstrom ist.

Der letzte Fall ist auch der Grund, warum Schmelzsicherungen hinter einer Solarzelle völliger Bullshit sind, denn die Solarzellen können nie und nimmer genug Kurzschlußstrom liefern, um die Sicherung auszulösen. Dies ist auch einer von mehreren Gründen, aus dem ich Solarzellen eher als Störung im Netz und nicht als Energiequelle betrachte.

In den obigen Fällen passiert den Solarzellen eigentlich gar nix. Für Solarzellen ist ein anderer Fall ekelig:
Mehrere Zellen in Reihe und ungleichmäßig beleuchtet. Schlimm wird es, wenn alle Zellen ordentlich angestrahlt werden und nur eine nicht (Teilverschattung). Dann arbeitet die teilverschattete Zelle gegen die anderen Zellen, und setzt dabei einen Teil der Leistung der gut bestrahlten Zellen in sich selber in Wärme um. Und das kann dann durchaus zur Zerstörung der teilverschatteten Zelle führen.

Das ist leider ein wenig an meiner Frage vorbei!

Es geht ja darum wie der Energieerhaltungssatz bei einer Zelle Wirkt wenn ich sie im Fall A unbelastet, im Fall B optimal und Fall C kurzgeschlossen habe.

Wo bleibt die Energie wenn ich sie nicht extern verheize?!
Ändert sich die Absobtion der Zelle je nach Last?
Ist die Absobtion immer gleich, wo geht dann die Energie hin und warum?

Klebwax hatte in dem Artikel wo die Frage ihren Ursprung hatte gesagt, dass es immernoch eine "Diode" ist, was heißen würde dass die Zelle ab einer gewissen Spannung selbstleitend wird und quasi emmitieren müsste (aus einem Video weiß ich dass im IR Bereich emmitiert wernn amn eine Zelle verpolt) und damit zu einer Art Frequenzteiler wird und das überschüssige absorbierte licht als IR (und Verlustwärme) wieder abgibt?

Solarzellen ändern, soweit ich weiß, ihr Absorbtionsverhalten (sprich: ihre Farbe) nicht.

Wenn die Sonne draufballert, nimmt die Zelle viel dieser Energie auf und wird warm. (Siehe Solardusche u.ä. Spielereihen.)
Einen Teil dieser Leistung kannst du elektrisch abnehmen, dann wird die Zelle weniger warm.
Ansonsten wird die eingestrahlte Energie über alle möglichen Formen der Wärmeabgabe wieder abgegeben.

Naja, das technische WIE dahinter interssiert mich ja am meisten :D

ich werde mal ein Experiment machen (sofern es die Gegebenheiten hergeben), ich habe ein "25W" Zelle (etwas größer als A4, also angenommen 100W Sonnenleistung -> ~20W elektrische Leistung) Und dann belaste ich sie mal abwechselnd und beobachte mal die Reflektion auf einer Oberfläche ob ich da etwas wahrnehmen kann (20% Unterschied sollte eigentlich schon sichtbar sein, vor allem wenn ich zyklisch schalte)

Aber wenn die Absorbtion immer gleich bleibt, muss es ja eine Erklärung dafür geben wie die "verschobenen" Elektronen wandern,
zumal da theoretisch ein Sättigungseffekt eintreten müsste und dadurch definitv keine Absorbtion mehr möglich ist!!!! Sich also messbar verändern müsste!!!!
Oder es gibt einen Mechanismus der eine Entladung ab einem gewissen Punkt ermöglicht, ob die Abgabe dann im IR Bereich passiert oder rein thermisch wäre dann final zu klären.

Aber wenn ich mich recht entsinne, ist eine Solarzelle doch eine Diode in Sperrichtung zum Strom der fließt wenn sie beleuchtet wird oder liege ich da falsch!? Das würde tatsächlich erlauben, dass die Zelle irgendwann ihre eigene Vorwärtsspannung erreicht und dann anfängt die überschüssige Ladung parallel zur Absorbtion zu emmitieren?!

Zitat:

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Zitat von White_Fox

Solarzellen ändern, soweit ich weiß, ihr Absorbtionsverhalten (sprich: ihre Farbe) nicht.

Wenn die Sonne draufballert, nimmt die Zelle viel dieser Energie auf und wird warm. (Siehe Solardusche u.ä. Spielereihen.)
Einen Teil dieser Leistung kannst du elektrisch abnehmen, dann wird die Zelle weniger warm.
Ansonsten wird die eingestrahlte Energie über alle möglichen Formen der Wärmeabgabe wieder abgegeben.

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Genau so ist es.

Die Diode von der ich schrieb ist in deinem Ersatzschaltbild gut zu sehen. Und die Stromrichtungen sind ja auch eingezeichnet. Die Elektronen kreisen von der Stromquelle durch die Diode und wieder zurück zur Stromquelle. Dabei erzeugen sie Strom mal Diodenschwellspannung an Wärmeleistung (an der Diode).

MfG Klebwax

Oh achsoooo ich dachte das wäre die Schutzdiode die meistens hinten auf den Modulen hängt :D

Nett, so ne Solarzelle wird also quasi zu einem Frequenzwandler wenn man sie unbelastet betreibt haha

kann man sowas dann Halbleiterfluoreszenz nennen ?! Das Prinzip ist ja genau genommen das gleiche nur der technische Umweg über den Diodeneffekt kommt dazu und statt des Wechsel auf eine höheres Bahnniveau hat man den PN Übergang XD

Zitat:

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Zitat von Ceos

Oh achsoooo ich dachte das wäre die Schutzdiode die meistens hinten auf den Modulen hängt :D

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Nein, in Ersatzschaltbildern wird NUR das elektrische Verhalten eines Dings veranschaulicht. Ohne Schutz und ohne Schnickschnack.

Zitat:

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Zitat von Ceos

Nett, so ne Solarzelle wird also quasi zu einem Frequenzwandler wenn man sie unbelastet betreibt

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Wieso Frequenzwandler? Da dürfte es an den Klemmen höchstens etwas rauschen.

Zitat:

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Wieso Frequenzwandler? Da dürfte es an den Klemmen höchstens etwas rauschen.

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Naja sichtbares Licht (kurzwellig) rein und IR (langwellig) wieder abstrahlen wenn es nicht abgenommen wird .. zumindest nach dem Video das ich da drüber mal gesehen habe, da wurde extern Spannung angelegt und mit einer Kamera ohne IR Filter gefilmt und man konnte die Zelle glimmen sehen (nciht thermisch, sondern im IR Bereich)

Ach so meinst du das...ja, so betrachtet ist sie das. :)

Zitat:

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Zitat von Ceos

Nett, so ne Solarzelle wird also quasi zu einem Frequenzwandler wenn man sie unbelastet betreibt haha

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dann wäe ein schwarzer Stein in der Sonne nach deiner Interpretaton aber auch so ein "Frequenzwandler " :p

IR (im optischen Sinn) und thermische Strahlung (extrem fernes IR genau genommen) sind ziemlich weit voneinander entfernt, auch wenn sie gern zusammengeworfen werden, aber so gesehen nein aus einem anderen Grund, denn es steckt ein andere Prozess hinter der thermischen Absorbtion, bei der das Atom und nicht das Elektron das Photon absorbiert

Ich denke da kann man getrost eine Linie ziehen

Thermische Strahlung kann man auch nur begrenzt "messen", das was wir als IR Kameras kennen ist nicht direkt mit dem Photon messenden Pixel einer Kamera vergleichbar

stimmt ntl mit dem Prozess dahinter (Elektronen vs. Atome), aber im Ergebnis (Licht-Photonen rein, Wärmestrahlung raus) ist es dennoch vergleichbar, wenn es auch von mir nur als Witz gemeint war.

Dennoch, wenn du von Strahlung sprichst:
Wärmestrahlung ist Strahlung durch elektromagnetische Quanten = Photonen, und nichts anderes ist IR-Strahlung (edit: unter 400°C: Wärmestrahlung im IR, darüber auch zunehmend im sichtbaren Bereich).
Beide mögen sich u.U. in ihrer Frequenz unterscheiden, aber da es sich um elektromagnetische Strahlung handelt, sind es beide physikalisch betrachtet das gleiche, nämlich elektromagnetische Wellen bzw. Quanten oder Photonen.
Etwas anders wäre nur Wärmeabgabe/ausbreitung über Konvektion.

Eine Solarzelle hat doch eh nur einen Wirkungsgrad von ~20%, d.h. ca. 80% der eingestrahlten Sonnenenergie werden immer entweder reflektiert oder machen die Zelle warm. Wenn die Wärmeleistung jetzt um diese 20% steigt, weil die elektrische Energie nicht abgeführt wird, wird das die Zelle nicht zerstören, es sei denn sie war vorher thermisch an der Grenze. Da ist es dann auch egal, ob die 20% gar nicht in Strom, sondern direkt in Wärme umgewandelt werden, oder in Strom umgewandelt werden, der dann intern in der Zelle fließt und dabei qua Widerstand in Wärme umgewandelt wird.

Zitat:

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Da ist es dann auch egal, ob die 20% gar nicht in Strom, sondern direkt in Wärme umgewandelt werden, oder in Strom umgewandelt werden, der dann intern in der Zelle fließt und dabei qua Widerstand in Wärme umgewandelt wird.

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Darum gings auch garnicht beim Thema, es ging um das Prinzip der Energieerhaltung. Wohin verschwindet denn die ungenutzte Energie?
Dank White-Fox wissen wir ja jetzt dass die Zelle die ungenutze Energie nach dem LED Prinzip im IR Bereich abstrahlt (und nicht thermisch verheizt, nur um das nochmal abzugrenzen, thermisch Absorbierte Energie wird wie ein Schwarzstrahler abgegeben)

Zitat:

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Zitat von Ceos

Darum gings auch garnicht beim Thema, es ging um das Prinzip der Energieerhaltung. Wohin verschwindet denn die ungenutzte Energie?
Dank White-Fox wissen wir ja jetzt dass die Zelle die ungenutze Energie nach dem LED Prinzip im IR Bereich abstrahlt (und nicht thermisch verheizt, nur um das nochmal abzugrenzen, thermisch Absorbierte Energie wird wie ein Schwarzstrahler abgegeben)

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wieso jetzt schon wieder "ungenutzte Energie"?
Wenn nur eine Spannung aufgebaut wird, entsteht keine Energie -
Energie entsteht erst dann, wenn auch Ströme fließen (Produkt aus Spannung, Strom und Zeit)!
wenn also die Zellen abgeklemmt sind, ohne Verbraucher, fließen keine Ströme, also entsteht auch keine Energie!

Siehe das Ersatzschaltbild von White_Fox, die Solarzelle (genauer gesagt die Elektronen an der Sperrschicht des PN Übergang) absorbieren PERMANENT das Licht und bauen durch ihre Verlagerung ein Potential auf (Spannung falls du nicht verstehst was ich meine).
Überschreitet diese Spannung die Schwelle der Vorwärtsspannung der "Diode" (was die Zelle im Prinzip nun mal ist) wird diese leitend und die Elektronen die dieses Potentialgefälle dann überwinden emmitieren Photonen, allerdings in einer wesentlich längeren Wellenlänge die im IR Bereich liegt.

Bei klassischer Fluoreszens absobiere Elektronen Photonen einer bestimmen Wellenlänge (oder eines begrenzten Bereichs von Wellenlängen) und werden auf eine höhere Energiebahn gehoben (Stoß durch das Photon über die PN Schicht) und fallen dann wieder herab (Rückwärts über die PN Schicht bei erreichen der Vorwärtsspannung) und emmitieren beim Überwinden des Potentials wiederum Photonen mit längerere Wellenlänge (weniger Energie)

Bei der Solarzelle hat man fast das gleiche Prinzip, weswegen ich gewitzelt hatte dass es sich um Halbleiter-Fluoreszens (Frequenzwandler) handelt

Bei deiner thermischen Absorbtion ist es im Grundprinzip ähnlich aber der Mechanismus wird hier vom Atom ausgeführt und die Wellenlänge ist ERHEBLICH länger und thermisch.

EDIT:

By the way, du Held ... DAS WAR DIE KERNFRAGE! Wenn ich keinen Verbaucher anschließe, WAS passiert dann? Reflektiert die Zelle MEHR LICHT wenn sie es nicht absobieren würde? Absorbiert sie trotzdem die 20% und wandelt sie dann um? wenn ja, wie? und White_Fox hat das trefflich erklärt, aber du hast nur wieder die letzten 2 Kommentare gelesen

Du hast dich mit deiner Aussage eben selbst disqualifiziert.

Wenn du meinst. dein Ersatzschaltbild sei ein physikalisches Modell, dann rechne doch mal nach dem Ersatzschaltbild aus, wie hoch deine angebliche Energie sein soll, im abgeklemmten Zustand (die, die angeblich "ungenutzt" ist), du Held!
Eine Berechnungsgrundlage für eine angebliche Energie im abgeklemmten Zustand finde ich bei White_Fox ebenfalls nicht!

Energie = Leistung * Zeit = Spannung * Stromstärke * Zeit

Also rechne mal bitte vor!

Zitat:

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Zitat von Ceos

Siehe das Ersatzschaltbild von White_Fox, die Solarzelle (genauer gesagt die Elektronen an der Sperrschicht des PN Übergang) absorbieren PERMANENT das Licht und bauen durch ihre Verlagerung ein Potential auf (Spannung falls du nicht verstehst was ich meine).
Überschreitet diese Spannung die Schwelle der Vorwärtsspannung der "Diode" (was die Zelle im Prinzip nun mal ist) wird diese leitend und die Elektronen die dieses Potentialgefälle dann überwinden emmitieren Photonen, allerdings in einer wesentlich längeren Wellenlänge die im IR Bereich liegt.

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Nur zur Hälfte richtig. Eine Solarzelle ist eine Diode, keine LED. Und die wird warm, wenn Strom durch sie fließt, wie jede Diode. Wenn die warm wird strahlt sie IR ab, wie jeder warme Körper. Nicht mehr und nicht weniger.

Und umgekehrt: In jeder Diode gibt es den Photoeffekt. Bei Dioden im Glasgehäuse (oder bei einem Modell des Pi) kann man das leicht sehen. Ist die Diode dafür optimiert und im klaren Gehäuse, kann man sie als Photodiode verkaufen. Hat sie auch noch eine große Fläche, kann man sie als Solarzelle verkaufen. Physikalisch ist das alles das Gleiche.

@HaWe

Natürlich fließt ein Strom, wie man im Ersatschaltbild gut sehen kann (wenn man denn Schaltbilder versteht). Die Stromquelle, der Photoeffekt, erzeugt ihn und durch die Diode fließt er zurück. Im Ersatzschaltbild sind ja die Strompfeile eingezeichnet. Außen misst man die Schwellspannung der Diode. Der Strom der Stromquelle ist der Kurzschlußstrom, den man auch messen kann. Die Leistung ist also Schwellspannung * Kurzschlußstrom. Die Schwellspannung ist stark temperaturabhängig. Es gibt also keine feste Zahl sondern eine Kurve. Die kann man überall im Netz finden. Da sie aber eine Siliziumdiode ist, kann man von Werten im Bereich 0,6-0,7V ausgehen.

MfG Klebwax

ich bestreite nicht, dass es einen internen Strom geben kann (wann wie hoch?), FALLS eine Schwellspannung auftreten sollte, aber ich erkenne keine "ungenutzte Energie", deren Existenz hier behauptet wird.
Wenn kein Strom (Elektronen) von der Kathode zur Anode zurückfließen kann, weil die PV-Zelle abgeklemmt ist, können ja eintreffende Photonen nicht ENDLOS immer mehr neue Elektronen aus ihren Orbitalen herauslösen (Elektronen-> n-Schicht, Löcher -> p-Schicht ).

Zitat:

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Zitat von HaWe

ich bestreite nicht, dass es einen internen Strom gibt, FALLS eine Schwellspannung auftreten sollte,

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Hast du selber gemessen: Die Leerlaufspannung, die irgendwann auch bei stärkerer Bestrahlung nicht mehr steig. Die geteilt durch die Anzahl der Zellen im Modul ...

Zitat:

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Wenn kein Strom (Elektronen) von der Kathode zur Anode zurückfließen kann,

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Auch wenn ich mich wiederhole, er kann. Die ganze Zelle ist eine Diode (ich war versucht, hier eine 48pt Schrift zu nehmen, damit du das endlich lesen kannst) und in Durchlassrichtung kann und wird ein Strom fließen. Blätter noch mal zurück zum Ersatzschaltbild und schau dir die Strompfeile an.

Nimm eine Diode, schalte sie in Durchlassrichtung ans Labornetzteil und regle den Strom von 0 hoch (das nennt man dann Stromquelle). Erst steigt langsam die Spannung, bei ca. 0,6V steigt sie nicht weiter obwohl der Strom weiter steigt, dann wird sie warm und am Ende brennt sie durch. It's not rocket science.

MfG Klebwax

@Klebwax https://www.youtube.com/watch?v=6WGKz2sUa0w darauf bezog ich mich als ich gesagt habe wie eine LED und im IR Bereich

PS
wenn Elektronen durch einen (Innen-)Widerstand fließen, erzeugen sie Reibungswärme und geben keine monochromatischen IR-Quanten ab (sondern statistisch verteilte IR-Quanten von verschiedenen Wellenlängen = Wärmestrahlung). Folglich springen hier auch keine Elektronen definierte Energieniveaus hinunter, wie es bei Fluoreszenz passiert.
Ich denke, dass ist auch das, was du, Klebwax, meintest.

Zitat:

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Zitat von HaWe

aber ich erkenne keine "ungenutzte Energie"

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Entweder wird ein Teil der Sonneneinstrahlung als elektrische Energie aus der Zelle herausgeführt und genutzt - wie auch immer - oder eben nicht, und dieser Teil erwärmt nur die Zelle weiter.

Ich habe jetzt mal den Elektriker gefragt, welcher unsere PV-Anlage hausintern angeschlossen hat (der Anschluss ans Netz fehlt noch, da der EVU-Elektriker keinen Termin frei hat)
d.h. die Anlage ist intern komplett verkabelt, also alle Elemente auf die Wechselrichter, aber kein Anschluss ans Netz oder andere Verbraucher, auch keine hausinternen.Vorab, er wunderte sich über meine Frage, ob denn da irgendetwas passieren könne, seine Antwort: kein Anschluss an Verbraucher => kein Strom => keine Leistung, die Zellen erwärmen sich halt einfach durch die eingestrahlte Leistung, das tun sie aber auch, wenn Leistung entnommen wird, er hat da noch keinen Unterschied bemerkt, auch gäbe es keine irgendwelchen Vorschriften für nicht angeschlossen Elemente, lediglich der Berührschutz ist erforderlich, wegwn der Leerlaufspannung, also nichts mit intern Verglühen oder ähnliches.
Gruß
Hans